KR102043250B1 - Microelectrode array chip capable of photothermal stimulation and control method of nerve cell using the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어 방법에 관한 것으로, 상기 미세전극칩은 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드; 상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극; 상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함한다.The present invention relates to a microelectrode chip and a method for controlling neuronal activity using the same, the microelectrode chip comprising: a substrate; An electrode pad disposed on a portion of the substrate; An electrode disposed on a portion of the substrate and connected to the electrode pad; An insulating layer disposed on a portion of the substrate where the electrode is not disposed; And a metal thin film disposed on the insulating layer.

Description

광열 신경자극이 가능한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 제어 방법{MICROELECTRODE ARRAY CHIP CAPABLE OF PHOTOTHERMAL STIMULATION AND CONTROL METHOD OF NERVE CELL USING THE SAME}MICROELECTRODE ARRAY CHIP CAPABLE OF PHOTOTHERMAL STIMULATION AND CONTROL METHOD OF NERVE CELL USING THE SAME}

본 발명은 광열효과를 활용한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어방법에 관한 것이다. The present invention relates to a microelectrode chip utilizing the photothermal effect and a method for controlling neuronal activity using the same.

신경세포의 활성을 조절하는 것은 신경생리학 연구와 임상적 질병의 완화에 있어서 필수적이다. 이를 위해, 신경세포를 배양하여 네트웍을 형성시킨 미세전극칩을 전기, 약물 등과 같은 다양한 방법을 사용하여 제어함으로써 신경계의 기능증진 또는 회복 등에 활용하고 있다. 특히, 미세전극을 이용하면 신경세포의 미세전기신호를 측정하거나 미세전류를 이용한 전기자극이 가능하여 신경네트웍의 연결도 분석할 수 있다.Regulating neuronal activity is essential for neurophysiological research and alleviation of clinical disease. To this end, microelectrode chips, which are formed by culturing neurons and forming networks, are controlled using various methods such as electricity and drugs to enhance or restore the function of the nervous system. In particular, the use of microelectrodes enables the measurement of microelectrical signals of neurons or electrical stimulation using microcurrents, so that the connection of neural networks can also be analyzed.

이러한 미세전극을 이용한 전기자극은 신경세포에 흥분성 자극을 유발하는데 매우 효과적이나, 시공간 분해능에 제한이 있고, 억제성 자극의 구현이 어려운 단점이 있다.The electrical stimulation using the microelectrode is very effective in inducing excitatory stimulation to nerve cells, but has limitations in space-time resolution and difficult implementation of inhibitory stimulation.

이를 대체하는 새로운 대안 기술로서 최근 비침습적이고 고효율적인 광학적 방법가운데 적외선 레이저를 이용한 자극과 광유전학이 등이 연구되고 있다. 광자극은 주로 광유전학 기술을 통한 유전자 조작법을 이용하여 광감응 단백질을 세포막에 발현하고 이를 이용하여 흥분성/억제성 자극을 구현할 수 있다.As a new alternative technology to replace this, stimulation and photogenetics using infrared laser have been studied among non-invasive and highly efficient optical methods. Photostimulation can be achieved by expressing the photosensitive protein on the cell membrane mainly by genetic engineering through photogenetic techniques and using this to implement excitatory / inhibitory stimulation.

광유전학은 빛에 의해 특이적으로 개폐가 이루어지는 이온 채널을 인위적으로 신경세포에 발현시킨 후, 가시광선 영역대의 빛을 이용해 세포의 활동전위를 만들거나 없애는 기술이다. 다만, 광유전학은 신경세포의 유전적 변이가 필요하기 때문에 임상에서 적용이 힘든 단점을 갖는다. Photogenetics is a technology that artificially expresses ion channels that are specifically opened and closed by light in neurons, and then creates or eliminates cell action potentials using light in the visible region. However, photogenetics has a disadvantage in that it is difficult to apply in the clinic because genetic variation of neurons is required.

이에 따라, 이를 회피하는 대체 기술이 요구되고 있다. 이와 관련하여, 최근 광열효과를 이용한 광자극 기술이 유전자 조작을 하지 않으면서 광자극의 장점을 유지하는 대체기술로 보고되고 있다. 특히, 광열자극이 가능한 미세전극칩을 제작하는 경우 세포신호 측정, 전기자극 및 광자극이 모두 가능한 장점이 있다. 이러한 광열효과를 유발하기 위하여 주로 금 나노 입자 또는 금 나노 막대와 같은 나노 금속 입자를 이용하거나 고분자 폴리머를 사용하는 기술이 개발되고 있다.Accordingly, there is a need for an alternative technique to avoid this. In this regard, recently, photo-stimulation technology using the photothermal effect has been reported as an alternative technology for maintaining the advantages of photo-stimulation without genetic manipulation. In particular, when fabricating a microelectrode chip capable of photothermal stimulation, there is an advantage that both cell signal measurement, electric stimulation and photo stimulation are possible. In order to induce such a photothermal effect, a technology of using nano metal particles such as gold nano particles or gold nano rods or using a polymer polymer has been developed.

한편, 광열자극을 통한 신경세포 활동 조절 방법과 관련하여 한국공개특허 제10-2015-0047247호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 나노입자가 부착된 신경세포에 레이저를 조사하는 단계를 포함하는 신경세포 활동 조절 방법이 개시되었다. On the other hand, with respect to a method for regulating neuronal activity through photothermal stimulation, Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2015-0047247 (hereinafter abbreviated as 'prior art') includes irradiating a laser to a neuron to which nanoparticles are attached. A method of regulating neuronal activity is disclosed.

선행기술은 나노 입자를 이용함으로써 입자의 합성과 뭉침방지용 표면 코팅, 칩표면 도포기술 등이 복합적으로 요구되며, 이를 칩에 최적화 하는 과정이 요구된다. In the prior art, the use of nanoparticles requires a combination of particle synthesis, agglomeration prevention surface coating, and chip surface coating technology, and a process of optimizing them for chips is required.

한편, 나노소재는 나노박막, 나노 입자, 나노구조체 등으로 유형을 나눌 수 있다. 이중, 나노박막은 세계 나노 소재 소비량의 67.4%(2013년 기준)을 차지하고 있으며, 나노소재 시장에서의 나노박막 비중은 2019년에 70.5%로 증가할 것으로 추정되고 있다. 이에 따라, 도포가 용이하고, 나노소재 시장에서 수요가 증가할 것으로 추정되는 나노박막 소재를 활용한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어방법을 고안하게 되었다.On the other hand, nanomaterials can be divided into types, such as nano thin film, nanoparticles, nanostructures. Nano-film accounts for 67.4% of the world's nano-material consumption (as of 2013), and the proportion of nano-film in the nano-material market is expected to increase to 70.5% in 2019. As a result, it has been possible to devise a microelectrode chip using a nano thin film material which is easy to apply and expected to increase demand in the nano material market, and a method of controlling neuronal activity using the same.

한국공개특허 제10-2015-0047247호Korean Patent Publication No. 10-2015-0047247

본 발명의 목적은 종래와 같이 미세전극칩에 나노물질을 코팅하기 위한 복잡한 과정이 생략된 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어 방법을 제공하는데 있다.Disclosure of Invention An object of the present invention is to provide a microelectrode chip in which a complicated process for coating a nanomaterial on a microelectrode chip is omitted and a method for controlling neuronal activity using the same.

또한, 본 발명의 목적은 신경세포의 국소적 활성 억제가 가능한 미세전극칩 및 이를 이용한 신경세포 활성 제어 방법을 제공하는데 있다.It is also an object of the present invention to provide a microelectrode chip capable of locally inhibiting neuronal activity and a method for controlling neuronal activity using the same.

본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩은, 기판; 상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드; 상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극; 상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함한다.Microelectrode chip according to an embodiment of the present invention, the substrate; An electrode pad disposed on a portion of the substrate; An electrode disposed on a portion of the substrate and connected to the electrode pad; An insulating layer disposed on a portion of the substrate where the electrode is not disposed; And a metal thin film disposed on the insulating layer.

또한, 상기 금속박막은 금(AU)을 포함할 수 있다.In addition, the metal thin film may include gold (AU).

또한, 상기 금속박막은 4 내지 6nm의 두께일 수 있다.In addition, the metal thin film may have a thickness of 4 to 6nm.

또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩은, 상기 금속박막 상에 배치된 세포 친화성 고분자층을 더 포함할 수 있다.In addition, the microelectrode chip according to the embodiment of the present invention may further include a cell-compatible polymer layer disposed on the metal thin film.

본 발명의 실시 예를 따르는 신경세포 활성 제어 방법은, 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계; 상기 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계; 및 상기 미세전극칩에 레이저를 조사하는 단계;를 포함한다.Neuro cell activity control method according to an embodiment of the present invention, preparing a microelectrode chip comprising a metal thin film; Disposing a nerve cell on the microelectrode chip; And irradiating a laser to the microelectrode chip.

또한, 본 발명의 실시 예를 따르는 신경세포 활성 제어 방법은 상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계 이후에, 상기 미세전극칩 상에 세포 친화성 고분자층을 배치하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, the method for controlling neuronal activity according to an embodiment of the present invention may further include disposing a cell-friendly polymer layer on the microelectrode chip after preparing the microelectrode chip including the metal thin film. Can be.

또한, 상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계는 진공증착 방식으로 상기 금속박막을 기판에 도포하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, preparing the microelectrode chip including the metal thin film may include applying the metal thin film to a substrate by a vacuum deposition method.

또한, 상기 미세전극칩에 조사하는 레이저는 500 내지 900 nm의 파장일 수 있다.In addition, the laser irradiation on the microelectrode chip may be a wavelength of 500 to 900 nm.

본 발명은 금속 박막에 근적외선 레이저를 조사하여 광열효과를 유도할 수 있으며, 이를 통해 미세전극칩에 배치된 신경세포의 활성을 국소적으로 억제할 수 있다. 이에 따라, 신경세포의 체외배양을 통해 뇌전증 등의 신경세포 활성도와 질병 간의 관계를 연구하고 그 치료법을 찾는 연구에 응용할 수 있는 장점이 있다.The present invention can induce a photothermal effect by irradiating a near-infrared laser to the metal thin film, thereby locally inhibiting the activity of nerve cells disposed on the microelectrode chip. Accordingly, there is an advantage that can be applied to the study of the relationship between neuronal cell activity such as epilepsy and disease through the in vitro culture of neurons and to find the treatment.

또한, 본 발명에 따른 미세전극칩은 레이저를 금속박막에 조사함으로써, 기존 나노입자 또는 나노구조체와 같은 나노 물질보다 흡수하는 빛의 파장이 넓은 장점이 있다.In addition, the microelectrode chip according to the present invention has a wider wavelength of light absorbed by the laser to the metal thin film, than the conventional nanoparticles or nanomaterials such as nanostructures.

또한, 본 발명은 진공증착방식을 이용하여 나노 단위로 두께가 조절된 금속박막을 기판상에 도포함으로써, 간단한 방법으로 미세전극칩을 제조할 수 있다. 이를 통해, 전자전기, 의공학산업과 같은 칩 생산기업이 미세전극칩을 저렴하게 제조할 수 있으며, 생산성이 향상될 수 있다.In addition, the present invention by using a vacuum deposition method by applying a metal thin film of a nano-controlled thickness on the substrate, it is possible to manufacture a microelectrode chip in a simple method. Through this, chip production companies such as the electronics and medical engineering industries can manufacture microelectrode chips at low cost, and productivity can be improved.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩의 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법의 단계도이다.
도 4는 미세전극칩, 세포 친화성 고분자층 및 신경세포의 배치관계를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 조사 단계 및 세포활성 관찰과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 신경세포가 배양된 미세전극칩이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 금속박막이 도포된 미세전극칩의 표면을 관찰한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 금속박막이 도포된 미세전극칩 및 금속 박막의 흡수 스펙트럼이다.
도 9는 근적외선 레이저 조사시 금속 박막의 온도변화 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩의 임피던스와 페이즈 측정결과이다.
도 11은 근적외선 레이저 조사시 신경세포의 활성비를 나타낸다.
도 12는 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다.
도 13은 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다.
1 is a microelectrode chip according to an embodiment of the present invention.
2 is a side cross-sectional view of the microelectrode chip according to the embodiment of the present invention.
3 is a step diagram of a method for controlling neuronal activity according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the arrangement of the microelectrode chip, the cell affinity polymer layer and neurons.
5 shows a laser irradiation step and cell activity observation process according to an embodiment of the present invention.
6 is a microelectrode chip in which nerve cells are cultured according to an embodiment of the present invention.
7 is a result of observing the surface of the microelectrode chip coated with a metal thin film according to an embodiment of the present invention.
8 is an absorption spectrum of a microelectrode chip and a metal thin film coated with a metal thin film according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph showing a temperature change of a metal thin film when near-infrared laser irradiation.
10 is a result of measuring impedance and phase of the microelectrode chip according to the embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the activity ratio of neurons in the near infrared laser irradiation.
12 shows the results of the degree of inhibition of photothermally stimulated neurons.
Figure 13 shows the results of the degree of inhibition of photothermally stimulated neurons.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, with reference to the contents described in the accompanying drawings will be described in detail the present invention. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members that perform substantially the same function.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. The objects and effects of the present invention may be naturally understood or more apparent from the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩(1)이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩(1)의 측단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩(1)은 기판(11) 상의 일부에 배치된 전극패드(113), 기판(11) 상의 일부에 배치되고 전극패드(113)에 연결된 전극(111), 기판(11) 상의 전극(111)이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층(17) 및 절연층(17) 상에 배치된 금속박막(13)을 포함한다. 또한, 미세전극칩(1)은 금속박막(13) 상에 배치된 고분자층(15)을 포함할 수 있다.1 is a microelectrode chip 1 according to an embodiment of the present invention. 2 is a side cross-sectional view of the microelectrode chip 1 according to the embodiment of the present invention. 1 and 2, the microelectrode chip 1 according to the embodiment of the present invention is disposed on a portion of the electrode pad 113, a portion of the substrate 11, and an electrode pad ( An electrode 111 connected to 113, an insulating layer 17 disposed on a portion where the electrode 111 on the substrate 11 is not disposed, and a metal thin film 13 disposed on the insulating layer 17 are included. In addition, the microelectrode chip 1 may include a polymer layer 15 disposed on the metal thin film 13.

기판(11)은 전극(111) 및 전극패드(113)를 포함할 수 있다. The substrate 11 may include an electrode 111 and an electrode pad 113.

본 실시 예에서, 기판(11)은 세포를 배양할 수 있는 모든 종류의 기판을 의미할 수 있으며, 구체적으로는 유리, 플라스틱, 금속, 실리콘, PDMS 등과 같은 재질로 공급될 수 있다. 기판(11)은 레이저가 통과되기 위해 투명한 소재로 제공될 수 있다. 다만, 기판(11)으로 제공되는 소재는 전술한 소재에 제한되지 않는다. 전술한 레이저는 기판에 조사할 수 있는 광원의 일 형태를 의미하며, 레이저 형태와 상이한 형태의 광원이 조사될 수 있다. 하기에 기재될 레이저는 이와 동일한 맥락으로 이해됨이 바람직하다.In this embodiment, the substrate 11 may mean any kind of substrate capable of culturing cells, and specifically, may be supplied with a material such as glass, plastic, metal, silicon, PDMS, or the like. The substrate 11 may be provided as a transparent material for the laser to pass through. However, the material provided to the substrate 11 is not limited to the above-described material. The laser described above refers to one type of light source that can be irradiated onto a substrate, and a light source having a different shape from that of the laser may be irradiated. The lasers to be described below are preferably understood in this same context.

본 실시 예에서, 전극(111)은 기판(11) 상의 일부에 배치되고 전극패드(113)에 연결될 수 있다. 전극(111)은 레이저 조사시 신경세포(3)의 활성을 측정하기 위한 것일 수 있다. 이를 위해, 전극(111)은 점, 선, 면 또는 부피를 가진 형태로 제공될 수 있으며, 이들의 조합된 구성으로 제공될 수 있다. 특히, 본 실시 예에 따른 전극(111)을 통해 측정된 신경세포의 신호가 감소함을 확인하여 신경세포(3)의 활성이 억제됨을 확인할 수 있다. In the present embodiment, the electrode 111 may be disposed on a portion of the substrate 11 and connected to the electrode pad 113. The electrode 111 may be for measuring the activity of the neuron 3 during laser irradiation. To this end, the electrode 111 may be provided in the form of points, lines, faces or volumes, and may be provided in a combined configuration thereof. In particular, it can be confirmed that the activity of the neuron 3 is suppressed by confirming that the signal of the neuron measured through the electrode 111 according to the present embodiment is reduced.

전극(111)은 신경세포(3)의 활성을 측정하기 위한 구성이므로, 기판(11)의 상면에 위치하여야 하며, 복수의 전극이 기판(11)상에 분포될 수 있다. 복수의 전극(111)이 기판(11)상에 분포되는 것은 일정한 규칙을 가질 수 있으며, 이를 전극(111)의 패터닝으로 이해할 수 있다. 전극(111)의 패터닝 방법으로는 나노임프린트 리소그래피, 간섭 리소그래피, 자가-조립 코폴리머 패턴 전사, 전자빔 리소그래피, 초점화 이온빔 밀링, 포토리소그래피, 반응성 이온 에칭(ion-etching), 습식 에칭(wet-etching) 등의 방법에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Since the electrode 111 is configured to measure the activity of the neuron 3, the electrode 111 should be positioned on the upper surface of the substrate 11, and a plurality of electrodes may be distributed on the substrate 11. Distribution of the plurality of electrodes 111 on the substrate 11 may have a predetermined rule, which may be understood as patterning of the electrodes 111. Patterning methods for electrode 111 include nanoimprint lithography, interference lithography, self-assembled copolymer pattern transfer, electron beam lithography, focused ion beam milling, photolithography, reactive ion etching, wet-etching. Or the like, but is not limited thereto.

한편, 전극(111)의 상면은 절연층(17)이 형성되지 않으며, 전극을 제외한 미세전극칩(1)의 표면에는 절연층(17)이 형성될 수 있다. 이에 따라 절연층(17)이 형성된 표면과 전극(111)이 분포된 표면은 높이차를 갖게된다. 전극(111)은 절연층(17)의 높이보다 낮은 높이로 제공되어야 하며, 이러한 높이차에서도 신경세포(3)의 활성을 측정할 수 있는 정도의 높이로 제공되어야 한다. The insulating layer 17 may not be formed on the upper surface of the electrode 111, and the insulating layer 17 may be formed on the surface of the microelectrode chip 1 except for the electrode. Accordingly, the surface on which the insulating layer 17 is formed and the surface on which the electrode 111 is distributed have a height difference. The electrode 111 should be provided at a height lower than the height of the insulating layer 17, and even at this height difference should be provided at a height sufficient to measure the activity of the neuron (3).

전극(111)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택적으로 1종 이상을 포함할 수 있다. 전극(111)으로 전달된 신경세포의 활성 전위는 전극패드(113)로 전달되어 미세전극칩(1) 외부로 송출될 수 있다. Electrode 111 is platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), chromium (Cr), aluminum (Al), copper (Cu), tin (Sn), Molybdenum (Mo), ruthenium (Ru) and indium (In) may optionally include one or more. The active potential of the nerve cell delivered to the electrode 111 may be delivered to the electrode pad 113 and sent out to the outside of the microelectrode chip 1.

본 실시 예에서, 전극패드(113)는 기판(11) 상의 일부에 배치될 수 있다. 전극패드(113)는 전극(111)과 연결되어 외부와 전극을 연결하기 위한 구성으로 이해될 수 있다. 전극패드(113)는 단수 혹은 복수의 전극(111)과 연결될 수 있다. 또한, 기판(11)은 전극패드(113) 및 전극(111)을 연결하는 도전성 부재를 더 포함할 수 있다. 전극(111), 전극패드(113) 및 도전성 부재는 동일한 물질로 형성될 수 있으며, 동일한 공정에 의해 동시에 형성될 수 있다. 따라서, 전극패드(113)의 재질은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 주석(Sn), 몰리브덴(Mo), 루테늄(Ru) 및 인듐(In)으로 이루어진 군에서 선택적으로 1종 이상을 포함할 수 있다.In the present embodiment, the electrode pad 113 may be disposed on a portion of the substrate 11. The electrode pad 113 is connected to the electrode 111 may be understood as a configuration for connecting the electrode with the outside. The electrode pad 113 may be connected to the singular or plural electrodes 111. In addition, the substrate 11 may further include a conductive member connecting the electrode pad 113 and the electrode 111. The electrode 111, the electrode pad 113, and the conductive member may be formed of the same material, and may be simultaneously formed by the same process. Therefore, the material of the electrode pad 113 is platinum (Pt), palladium (Pd), gold (Au), silver (Ag), titanium (Ti), chromium (Cr), aluminum (Al), copper (Cu), Tin (Sn), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru) and indium (In) may optionally include one or more.

절연층(17)은 기판(11) 상의 전극(111)이 배치되지 않은 부분에 배치될 수 있다.The insulating layer 17 may be disposed at a portion where the electrode 111 on the substrate 11 is not disposed.

본 실시 예에서, 절연층(17)은 기판(11)과 금속박막(13)을 전기적으로 분리할 수 있다. 절연층(17)은 전극이 배치되지 않은 부분에 배치되어 기판 상에 요철구조를 형성할 수 있다. 절연층(17)은 질화규소(silicon nitride), 산화규소(silicon oxide), 산화알루미늄(Al2O3), BZN 산화물(Bismuth-Zinc-Niobium Oxide), 산화티타늄, 산화하프늄, 산화지르코늄, 산화탄탈륨 및 산화란탈륨으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.In the present embodiment, the insulating layer 17 may electrically separate the substrate 11 and the metal thin film 13. The insulating layer 17 may be disposed at a portion where the electrode is not disposed to form an uneven structure on the substrate. The insulating layer 17 is made of silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth-zinc-niobium oxide, titanium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, tantalum oxide And lanthanum oxide may include one or more selected from the group consisting of.

절연층(17)의 높이는 전극(111)의 높이에 비하여 높을 수 있다. 이를 통해, 분포된 전극(111) 사이의 절연을 보다 용이하게 할 수 있다. The height of the insulating layer 17 may be higher than the height of the electrode 111. Through this, insulation between the distributed electrodes 111 can be made easier.

금속박막(13)은 절연층(17)상에 배치될 수 있다. The metal thin film 13 may be disposed on the insulating layer 17.

본 실시 예에서, 금속박막(13)은 전극(111) 및 절연층(17)이 배치된 기판(11)상에 도포될 수 있다. 금속박막(13)은 진공증착 방식으로 도포될 수 있다. 금속박막(13)은 근적외선 조사시 박막 표면의 플라즈몬이 여기되고, 여기된 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 에너지는 방사 감폭(radioactive damping) 될 수 있다. 방사 감폭은 열 에너지를 발생시키며, 이를 이용하여 신경세포 활성을 억제할 수 있다. 금속박막(13)은 종래의 나노물질보다 근적외선 흡수에 따른 발열량이 적지만, 흡수하는 빛의 파장의 범위가 넓은 장점이 있다. In the present embodiment, the metal thin film 13 includes an electrode 111 and an insulating layer 17 disposed thereon. It can be applied on the substrate (11). The metal thin film 13 may be applied by vacuum deposition. The metal thin film 13 may be excited with plasmon on the surface of the thin film during near-infrared irradiation, and the excited surface plasmon resonance (SPR) energy may be radioactive damping. Radiation damping generates heat energy, which can be used to inhibit neuronal activity. The metal thin film 13 has less heat generation due to near-infrared absorption than conventional nanomaterials, but has a wide range of wavelengths of absorbed light.

본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)에서, 금속박막(13)은 금(Au)을 포함할 수 있다.In the microelectrode chip 1 according to the embodiment of the present invention, the metal thin film 13 may include gold (Au).

본 실시 예에서, 금속박막(13)은 표면 플라즈몬 공명을 유도하기 위해 금속 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동이 요구될 수 있다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 금, 은, 구리, 알루미늄 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용되는데, 그 중 가장 예리한 공명 피크값을 보이는 은과 우수한 표면 안정성을 나타내는 금이 보편적으로 이용되고 있다. 이에 따라, 금속박막(13)은 금, 은, 구리 및 알루미늄과 같은 금속들이 사용될 수 있으며, 사용자의 필요에 따라 금속박막(13)에 사용되는 금속은 전술한 금속 중 일부가 선택적으로 사용될 수 있다.In the present embodiment, the metal thin film 13 may require a collective vibration of electrons occurring at the metal surface to induce surface plasmon resonance. Metals exhibiting this phenomenon are mainly used for the emission of electrons by external stimulus such as gold, silver, copper, aluminum, etc. and metals having negative dielectric constant, among which silver has the sharpest resonance peak value and excellent surface stability. Gold is commonly used. Accordingly, the metal thin film 13 may be made of metals such as gold, silver, copper, and aluminum, and a metal used in the metal thin film 13 may be selectively used in some of the above-described metals according to a user's needs. .

본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)에서, 금속박막(13)은 4 내지 6nm의 두께로 형성될 수 있다.In the microelectrode chip 1 according to the embodiment of the present invention, the metal thin film 13 may be formed to a thickness of 4 to 6nm.

본 실시 예에서, 금속박막(13)은 진공증착 방식을 통하여 형성될 수 있다. 진공증착 방식은 박막의 두께를 수 나노 단위로 조절할 수 있다. 이에 따라, 사용자는 금속박막(13)의 두께를 제어할 수 있다. 다만, 본 발명의 목적 및 효과를 구현하기 위해 금속박막(13)은 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있는 조건을 갖추어야 하며, 신경세포의 활성 전위 측정을 방해하지 않고 고효율의 두께로 제한되어야 하는 바, 두께의 범위를 4 내지 6nm의 범위로 제한하였다. 관련된 내용은 하기의 <실시예1> 내지 <실시예6>을 통해 뒷받침 하도록 한다.In this embodiment, the metal thin film 13 may be formed through a vacuum deposition method. In the vacuum deposition method, the thickness of the thin film can be adjusted by several nano units. Accordingly, the user can control the thickness of the metal thin film 13. However, in order to realize the object and effect of the present invention, the metal thin film 13 should have a condition capable of inducing a surface plasmon phenomenon and should be limited to a thickness of high efficiency without disturbing the measurement of the active potential of nerve cells. The range of thickness was limited to the range of 4-6 nm. Related information is supported by the following <Example 1> to <Example 6>.

본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)에서, 금속박막(13) 상에 배치된 세포 친화성 고분자층(15)을 더 포함할 수 있다. In the microelectrode chip 1 according to the embodiment of the present invention, the cell-compatible polymer layer 15 disposed on the metal thin film 13 may be further included.

본 실시 예에서, 세포친화성 고분자층(15)은 신경세포(3)의 활성 측정 시 상기 신경세포(3) 및 금속박막(13) 사이에 배치될 수 있다. 세포친화성 고분자층(15)은 세포 친화성을 가지기 때문에 신경세포(3)의 안정성을 향상시킬 수 있다. 세포친화성 고분자층(15)은 폴리라이신(polylysine), 폴리도파민(poltdopamine), 라미닌(laminin), 파이브로넥틴(fibronectin) 등과 같은 고분자 물질로 제공될 수 있다. In this embodiment, the cell-friendly polymer layer 15 may be disposed between the nerve cell 3 and the metal thin film 13 when the activity of the nerve cell 3 is measured. Since the cell-friendly polymer layer 15 has cell affinity, the stability of the nerve cell 3 can be improved. The cell-friendly polymer layer 15 may be provided with a polymer material such as polylysine, polydopamine, laminin, fibronectin, or the like.

이하, 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)을 이용한 신경세포 활성 제어 방법에 대하여 설명한다. 하기의 설명에서 미세전극칩(1)의 구성 및 특성과 관련되어 중복된 부분은 생략하며, 신경세포의 활성 제어 방법에 관련한 서술을 추가적으로 기재하도록 한다.Hereinafter, according to the embodiment of the present invention A method of controlling neuronal activity using the microelectrode chip 1 will be described. In the following description, overlapping parts related to the configuration and characteristics of the microelectrode chip 1 will be omitted, and a description related to the method for controlling the activity of neurons will be described.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법의 단계도이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법을 설명하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 신경세포 활성 제어 방법은 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계(S1), 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계(S5) 및 미세전극칩에 레이저를 조사하는 단계(S7)를 포함한다. 3 is a step diagram of a method for controlling neuronal activity according to an embodiment of the present invention. 4 is a diagram illustrating a method of controlling neuronal activity according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the method for controlling neuronal activity according to the present embodiment includes preparing a microelectrode chip including a metal thin film (S1), arranging neurons on the microelectrode chip (S5), and a microelectrode. Irradiating a laser onto the chip (S7).

금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계(S1)에서, 미세전극칩(1)은 앞서 설명한 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩(1)일 수 있다. 해당 단계에서는 금속박막(13)을 진공증착 방식을 통해 형성할 수 있다. In preparing the microelectrode chip including the metal thin film (S1), the microelectrode chip 1 may be the microelectrode chip 1 according to the embodiment of the present invention described above. In this step, the metal thin film 13 may be formed by a vacuum deposition method.

다음으로, 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계(S5)를 수행할 수 있다. 신경세포(3)는 미생물, 동식물 세포의 해마신경세포, 감각신경세포, 연합신경세포 및 운동신경세포로 구성된 군으로부터 선택될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. Next, disposing a nerve cell on the microelectrode chip (S5) can be performed. The neuron 3 may be selected from the group consisting of microorganisms, hippocampal neurons, sensory neurons, associated neurons and motor neurons of animal and plant cells, but is not limited thereto.

다음으로, 신경세포가 배치된 미세전극칩에 레이저를 조사한다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 조사 단계 및 세포활성 관찰과정을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 레이저 조사 단계(S7)는 파장을 선택하여 미세전극칩(1)에 레이저를 조사할 수 있다.Next, the laser is irradiated to the microelectrode chip in which the nerve cells are arranged. 5 shows a laser irradiation step and cell activity observation process according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, the laser irradiation step (S7) may irradiate a laser to the microelectrode chip 1 by selecting a wavelength.

본 실시 예에서, 레이저는 제어가 가능한 매체를 통하여 조사될 수 있다. 제어매체는 퍼스널컴퓨터, 랩탑 등 자극 생성 소프트웨어를 실행할 수 있는 모든 매체를 포함할 수 있다. 이후, 자극 생성 소프트웨어를 통해 자극기로 레이저 조사 명령이 전달되며, 자극기로부터 근적외선 컨트롤러로 레이저 조사 신호가 전달될 수 있다. 레이저는 근적외선 컨트롤러를 통해 조사되며, 기판의 하면에서 상면으로 통과하는 방향으로 조사될 수 있다. In this embodiment, the laser can be irradiated through a controllable medium. The control medium may include any medium capable of executing stimulus generating software, such as a personal computer or laptop. The laser irradiation command can then be delivered to the stimulator via stimulus generation software and the laser irradiation signal from the stimulator to the near infrared controller. The laser is irradiated through the near infrared controller, and may be irradiated in a direction passing from the lower surface of the substrate to the upper surface.

레이저 조사시, 금속박막(13)에서는 표면 플라즈몬 공명을 통해 광열효과가 유도될 수 있다. 이에 따라, 기판(11)상에 배치된 신경세포(3)가 자극될 수 있으며, 자극된 신경세포(3)의 활동전위가 변동될 수 있다. 변동된 활동 전위는 전극(111)을 통하여 입력되며 해당 전위를 신호 증폭기를 통하여 증폭시킨뒤, 데이터 수집 및 출력이 이루어질 수 있다. 레이저는 신경세포(3)가 배양된 전체 면적을 충분히 커버할 수 있는 넓이로 조사될 수 있다. 또한, 레이저의 조사 방향은 신경세포(3)가 배양된 면과 수직이 되게 조사될 수 있다. In the laser irradiation, the photothermal effect may be induced through the surface plasmon resonance in the metal thin film 13. Accordingly, the nerve cells 3 disposed on the substrate 11 may be stimulated, and the action potential of the stimulated nerve cells 3 may be changed. The changed action potential is input through the electrode 111 and amplified by the potential through the signal amplifier, and data collection and output may be performed. The laser can be irradiated to an extent that can sufficiently cover the entire area where the nerve cells 3 are cultured. In addition, the irradiation direction of the laser can be irradiated to be perpendicular to the surface on which the nerve cells 3 are cultured.

레이저 조사 단계(S7)에서 조사되는 레이저는 500 내지 900 nm의 파장일 수 있다. 본 실시 예에서, 금속박막(13)은 나노입자, 나노막대, 나노구조체와 같은 기존 소재보다 넓은 파장을 흡수할 수 있다. 따라서, 사용자는 전술한 범위 내에서 근적외선 대의 파장을 선택적으로 조사할 수 있다. The laser irradiated in the laser irradiation step S7 may be a wavelength of 500 to 900 nm. In the present embodiment, the metal thin film 13 may absorb a wider wavelength than conventional materials such as nanoparticles, nanorods, and nanostructures. Therefore, the user can selectively irradiate the wavelength of the near infrared band within the above-described range.

본 발명의 다른 실시 예를 따르는 신경세포 활성 제어 방법에서, 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계(S1) 이후에, 미세전극칩 상에 세포 친화성 고분자층을 배치하는 단계(S3)를 더 포함할 수 있다. In a method of controlling neuronal activity according to another embodiment of the present invention, after preparing a microelectrode chip including a metal thin film (S1), disposing a cell-friendly polymer layer on the microelectrode chip (S3). It may further include.

세포친화성 고분자층(15)은 신경세포(3)의 활성 측정 시 신경세포(3) 및 금속박막(13) 사이에 배치될 수 있다. 이를 통해, 신경세포(3)의 안정성을 향상시킬 수 있다. 세포친화성 고분자층(15)은 폴리라이신(polylysine), 폴리도파민(polydopamine), 라미닌(laminin), 파이브로넥틴(fibronectin) 등과 같은 고분자 물질로 제공될 수 있다. The cell-friendly polymer layer 15 may be disposed between the nerve cell 3 and the metal thin film 13 when the activity of the nerve cell 3 is measured. Through this, it is possible to improve the stability of the neuron (3). The cell-friendly polymer layer 15 may be provided with a polymer material such as polylysine, polydopamine, laminin, fibronectin, and the like.

고분자층(15)의 형성은 신경세포(3)가 안정적으로 성장할 수 있도록 하는 역할을 하며, 금속박막(13)을 제외한 미세전극칩(11)에 신경세포를 배양하는 경우에도 필수적으로 필요한 과정으로 이해될 수 있다. 즉, 고분자층(15)의 형성은 광열자극을 위한 세포배양 이외의 다른 목적의 실험을 위한 신경세포의 배양에도 항상 사용되는 과정으로 이해될 수 있다.The formation of the polymer layer 15 plays a role of allowing the nerve cells 3 to stably grow, and is an essential process even when culturing the nerve cells on the microelectrode chip 11 except the metal thin film 13. Can be understood. That is, the formation of the polymer layer 15 may be understood as a process that is always used in the culture of nerve cells for experiments other than the cell culture for photothermal stimulation.

<< 실시예1Example 1 >신경세포가 분포된 > Nerve cells distributed 미세전극칩Micro electrode chip

도 6은 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩 상에 신경세포가 배양된 것을 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 금을 포함하는 금속박막이 도포된 미세전극칩 상에 신경세포가 균일하게 분포된 것을 확인할 수 있다. 분포된 신경세포는 신호가 나오는 기간까지 생존하며, 이를 통해 각각의 전극에서 신경세포의 활성을 측정할 수 있다.6 is according to an embodiment of the present invention It shows that the nerve cells are cultured on the microelectrode chip. Referring to FIG. 6, it can be seen that the neurons are uniformly distributed on the microelectrode chip coated with the metal thin film containing gold. The distributed neurons survive to the time period of the signal, thereby measuring the activity of the neurons at each electrode.

<< 실시예2Example 2 >상이한 두께로 형성된 > Formed with different thickness 금속박막의Metal thin film 표면 비교 Surface comparison

도 7은 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩의 표면을 관찰한 결과이다. 관찰에는 AFM(Atomic-force microscopy)를 사용하였다. 도 7을 참조하면, 좌측에 개시된 결과는 두께가 2nm 인 금속박막을 관찰한 결과이며, 우측에 개시된 결과는 두께가 5nm 인 금속박막을 관찰한 결과이다. 또한, 도면의 하단에 개시된 결과는 20 x 20 um 면적을 관찰하였으며, 상단에 개시된 결과는 1 x 1 um 면적을 관찰한 결과이다. 관찰결과, 2nm 두께의 금속박막보다 5nm 두께의 금속박막에서 표면의 입자가 크다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 두 샘플 모두 금속박막의 표면이 고르게 형성된 것을 확인할 수 있다. 7 is a result of observing the surface of the microelectrode chip according to the embodiment of the present invention. AFM (Atomic-force microscopy) was used for the observation. Referring to FIG. 7, the result disclosed on the left is a result of observing a metal thin film having a thickness of 2 nm, and the result disclosed on the right is a result of observing a metal thin film having a thickness of 5 nm. In addition, the results disclosed at the bottom of the figure observed a 20 x 20 um area, the results disclosed at the top is a result of observing the 1 x 1 um area. As a result, it can be seen that the particles on the surface of the metal thin film having a thickness of 5 nm is larger than the metal thin film having a thickness of 2 nm. In addition, it can be seen that both samples evenly formed on the surface of the metal thin film.

<< 실시예3Example 3 >상이한 두께로 > With different thickness 금속박막이Metal film 형성된  Formed 미세전극칩의Of micro electrode chip 흡수스펙트럼 비교 Absorption Spectrum Comparison

도 8은 본 발명의 실시 예를 따르는 미세전극칩 및 금속박막의 흡수 스펙트럼이다. 도 8(a) 및 (b)는 상이한 두께로 금속박막이 제작된 미세전극칩을 개시한다. 도 8(a)는 2nm 금속박막, 도 8(b)는 5nm 금속박막이 제작된 미세전극칩이다. 샘플로 사용된 미세전극칩에 도포된 금속박막의 두께는 2nm, 5nm 및 7nm 이다. 이후, 제작된 각각의 미세전극칩에 UV-vis 분광기(spectrometer)를 이용하여 흡수 파장을 확인하였다. 8 is according to an embodiment of the present invention Absorption spectra of microelectrode chips and metal thin films. 8 (a) and 8 (b) disclose microelectrode chips in which metal thin films are manufactured in different thicknesses. 8 (a) shows a 2 nm metal thin film, and FIG. 8 (b) shows a micro electrode chip on which a 5 nm metal thin film is made. The thickness of the metal thin film applied to the microelectrode chip used as the sample is 2 nm, 5 nm and 7 nm. Then, the absorption wavelength was confirmed using a UV-vis spectrometer on each of the manufactured microelectrode chips.

해당 실시예의 결과에서, 7nm 두께의 금속박막이 가장 높은 흡광을 나타냈으나, 미세전극칩에서 신호를 측정할 수 없는 누전현상이 발견되었다. 즉, 금속박막은 7nm의 두께보다 얇게 형성되어 누전현상을 예방하기 위한 조건을 갖추어야 함을 확인할 수 있다. 따라서, 하기의 모든 실험예는 금속박막의 두께를 7nm보다 작은 범위로 한정된 데이터를 비교하였으며, 특히 2nm 와 5nm의 두께를 가진 금속박막의 특성을 비교하였다.In the results of this example, a 7 nm thick metal thin film exhibited the highest absorption, but a short circuit phenomenon was found in which the signal could not be measured in the microelectrode chip. That is, the metal thin film is formed thinner than the thickness of 7nm it can be confirmed that the conditions for preventing the short-circuit phenomenon. Therefore, all the experimental examples below compared the data limited to the thickness of the metal thin film in the range less than 7nm, in particular compared the characteristics of the metal thin film having a thickness of 2nm and 5nm.

도 8(c)는 측정이 안정적으로 이루어진 2nm 및 5nm 두께의 금속박막의 결과를 비교한 그래프를 도시한 것이다. 그래프를 참조하면, 5nm 두께의 금속박막이 모든 근적외선 파장영역에서 더욱 좋은 효율의 광밀도(optical density)가 측정되었다.FIG. 8 (c) shows a graph comparing the results of the metal thin films of 2 nm and 5 nm thicknesses in which the measurement was made stable. Referring to the graph, the optical density of the 5 nm thick metal thin film was measured for better efficiency in all near infrared wavelength ranges.

<< 실시예4Example 4 >레이저 조사시 Laser irradiation 금속박막의Metal thin film 온도 변화 비교 Temperature change comparison

도 9는 근 적외선 레이저 조사시 금속박막의 온도변화 그래프이다. 온도변화를 위해 IR 카메라를 이용하여 공기중에서 3분간 금속박막의 온도를 측정하였고, 근적외선 조사 전/후 2분간의 측정 수치를 평균한 값을 빼는 방법으로 변화량을 정량하였다. 사용된 레이저는 3, 6, 9, 12 ,15 mW/mm2 의 세기로 구분된다.9 is a graph showing the temperature change of the metal thin film when the near infrared laser irradiation. For the temperature change, the temperature of the metal thin film was measured for 3 minutes in the air by using an IR camera, and the change amount was quantified by subtracting the average value of the measured values for 2 minutes before / after near infrared irradiation. The lasers used are divided into intensities of 3, 6, 9, 12, 15 mW / mm 2 .

도 9의 상단에 개시된 그래프는 2nm 두께의 금속박막의 온도변화를 나타내며, 하단에 개시된 그래프는 5nm 두께의 금속박막의 온도변화를 나타낸다. 두 그래프의 비교를 통해, 5nm 두께의 금속박막이 모든 근적외선 세기에 대하여 2nm 두께의 금속박막보다 많은 열을 발생하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 5nm 두께의 금속박막은 공기중에서 최대 25도의 온도변화가 감지된 반면, 2nm 두께의 금속박막은 20도 미만의 온도변화가 감지됨을 확인할 수 있다.The graph disclosed at the top of FIG. 9 shows the temperature change of the 2 nm thick metal thin film, and the graph disclosed at the bottom shows the temperature change of the 5 nm thick metal thin film. Comparing the two graphs, it can be seen that the metal thin film having a thickness of 5 nm generates more heat than the metal thin film having a thickness of 2 nm for all near infrared intensities. In particular, it can be seen that a 5 nm thick metal film detects a temperature change of up to 25 degrees in air, while a 2 nm thick metal film detects a temperature change of less than 20 degrees.

<< 실시예5Example 5 >> 금속박막이Metal film 형성된  Formed 미세유체칩의Of microfluidic chips 임피던스 및  Impedance and 페이즈Phase 측정 Measure

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 미세전극칩의 임피던스와 페이즈 측정결과이다. 도 10의 좌측은 금속박막의 임피던스 측정 그래프를, 우측은 패이즈 측정 결과 그래프를 나타낸다. 10 is a result of measuring impedance and phase of the microelectrode chip according to the embodiment of the present invention. The left side of FIG. 10 shows the impedance measurement graph of a metal thin film, and the right side shows the graph of a phase measurement result.

임피던스 측정의 경우, 각 두께가 모두 세포활성을 측정할 수 있는 수준의 임피던스가 측정되었다. 특히, 5nm 두께의 금속박막이 2nm 두께의 금속박막보다 높은 값이 측정됨을 확인할 수 있다. In the case of impedance measurement, the impedance of each thickness was measured to measure cellular activity. In particular, it can be seen that the metal thin film having a thickness of 5 nm is measured higher than the metal thin film having a thickness of 2 nm.

패이즈 측정의 경우, 두가지 두께에서 신경세포 활성을 측정할 수 있는 수준으로 확인되었다.In the case of phase measurement, neuronal activity was determined at two thickness levels.

<< 실시예6Example 6 >신경세포의 활성 신호 측정> Measure signal of nerve cell activity

도 11은 근적외선 레이저 조사시 신경세포의 활성비를 나타낸다. 해당 실시예는 신경세포의 활성 신호를 비가공한 상태의 결과를 나타낸다. Figure 11 shows the activity ratio of neurons in the near infrared laser irradiation. This example shows the result of a state in which an active signal of a neuron is not processed.

도 11을 참조하면, 근적외선을 조사하지 않은 실험에서는 신경세포의 활성 신호가 지속적으로 발생됨을 확인할 수 있다. 반면, 근적외선을 조사한 실험에서는 조사하는 기간동안 신경세포의 활성이 억제되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 근적외선을 조사한 실험 후에 신경세포를 관찰한 결과, 활성에는 영향이 없었으며 계속적으로 살아있는 상태로 유지됨을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 11, in an experiment not irradiated with near infrared rays, it can be seen that the activation signal of neurons is continuously generated. On the other hand, in the experiments irradiated with near-infrared, it can be seen that the activity of neurons is suppressed during the irradiation. In addition, the results of neuron observation after the experiment with near-infrared light showed that the activity was not affected and was continuously maintained in the living state.

도 12는 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다. 해당 실시예는, 측정된 신호를 가공하여 자극에 대한 시간 히스토그램(PSTF: Peristimulus time histogram)정량적으로 분석하였다. 실험은 신경세포의 활동전위가 활발하게 일어나는 배양 후 14일 내지 21일의 기간에 근적외선 자극 실험을 진행하였다. 12 shows the results of the degree of inhibition of photothermally stimulated neurons. In this example, the measured signals were processed and analyzed quantitatively by Peristimulus time histogram (PSTF). The experiment was conducted with a near-infrared stimulation experiment in a period of 14 days to 21 days after the culture in which the action potential of neurons is actively induced.

도 12를 참조하면, 그래프의 세로축은 spikes/sec(신호수/초)를 의미하며, 가로축은 time(sec)를 의미한다. 실험이 이루어지는 동안, 미세전극칩의 전극에서 신경세포의 활성이 측정되면 지속적으로 점이 찍히게 되고 활성이 없으면 표시되지 않는다.Referring to FIG. 12, the vertical axis of the graph means spikes / sec (number of signals / second) and the horizontal axis means time (sec). During the experiment, when the activity of nerve cells in the electrode of the microelectrode chip is measured, the dots are continuously spotted.

특히, 우측의 두 그래프의 -10 내지 0 초, 10 내지 20 초는 레이저 자극을 주지 않은 상태이며, 0 내지 10 초는 레이저 자극을 주는 상태이다. 또한, 모든 그래프에서 -10 내지 20 초 사이에서 그래프 상부에 나타난 작은 점은 해당 시간에 미세전극칩에서 측정된 신호수(spike) 이며, 각각의 점이 이루는 단일 행은 각각의 시도 횟수를 의미한다. 결과는 30번의 시도를 한 것으로 30 개의 행이 있다.In particular, -10 to 0 seconds, 10 to 20 seconds in the two graphs on the right side is the state without the laser stimulation, 0 to 10 seconds is the state of the laser stimulation. In addition, in every graph, a small dot appearing at the top of the graph between -10 and 20 seconds is the number of signals measured in the microelectrode chip at that time, and a single row formed by each point represents the number of attempts. The result is 30 attempts, with 30 rows.

특히, 5 nm 두께의 금나노박막이 있는 미세전극칩의 경우에는 근적외선 레이저가 조사되는 0 내지 10 초 동안에 확연하게 신경세포의 활성이 줄어들어 점이 거의 찍히지 않는 것을 확인할 수 있다.In particular, in the case of a microelectrode chip having a 5 nm thick gold nano thin film, it is confirmed that the activity of the neuron is significantly reduced during the 0 to 10 seconds when the near infrared laser is irradiated, so that almost no spots are photographed.

도 13은 광열 자극된 신경세포의 억제 정도의 결과를 나타낸다. 해당 실시예는, 광열자극의 세기에 대한 신경세포의 활성 억제 정도를 금속박막의 두께에 따라 측정하였다. 조사된 레이저는 3, 6, 9, 12, 15, 18 및 21 mW/mm2 의 세기로 10초간 조사되었으며, 20초간 근적외선을 조사하지 않는 방식으로 총 30번 반복하여 실험을 진행하였다. 실험의 대조군으로 0 mW/mm2 에 15분간 측정된 활동전위와 비교하여 신경세포의 활동전위 억제 정도를 정량하였다.Figure 13 shows the results of the degree of inhibition of photothermally stimulated neurons. In this example, the degree of inhibition of neuronal activity to the intensity of photothermal stimulation was measured according to the thickness of the metal thin film. The lasers irradiated are 3, 6, 9, 12, 15, 18 and 21 mW / mm 2 It was irradiated for 10 seconds at the intensity of, and the experiment was repeated a total of 30 times without irradiating near infrared rays for 20 seconds. As a control of the experiment, the activity potential inhibition of neurons was quantified by comparing the activity potential measured at 0 mW / mm 2 for 15 minutes.

결과적으로, 2nm 두께의 금속박막이 형성된 미세전극칩 샘플에서는 일부 신호에서 버스트(burst) 신호가 발생하였지만, 광자극 중에는 용이하게 억제가 됨을 확인하였다. 도 13에 개시된 그래프와 같이 2nm 및 5 nm 두께의 금속박막이 형성된 미세전극칩에서 모두 근적외선 세기가 증가함에 따라 신경세포의 활성이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 금속박막이 5nm 인 미세전극칩에서는 낮은 강도의 근적외선에서도 신경세포의 활성이 2nm 두께의 칩보다 크게 억제되는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 5nm의 두께로 금속박막이 형성된 미세전극칩이 신경세포의 활성 억제에 적합한 샘플임을 확인하였다.As a result, in the microelectrode chip sample in which the metal thin film of 2 nm thickness was formed, a burst signal was generated in some signals, but it was confirmed that it was easily suppressed during photostimulation. As shown in the graph of FIG. 13, it can be seen that the activity of nerve cells gradually decreases as the near infrared intensity increases in both the microelectrode chips having the metal thin films of 2 nm and 5 nm thickness. In particular, in the microelectrode chip having a metal thin film of 5 nm, it was confirmed that the activity of neurons was significantly suppressed even in the near-infrared ray of low intensity than the chip having a thickness of 2 nm. Through this, it was confirmed that the microelectrode chip in which the metal thin film was formed with a thickness of 5 nm was a sample suitable for inhibiting the activity of neurons.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through the representative embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains will appreciate that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by all changes or modifications derived from the claims and the equivalent concepts as well as the following claims.

1: 미세전극칩
11: 기판
111: 전극
113: 전극패드
13: 금속박막
15: 고분자층
17: 절연층
3: 신경세포
S1: 미세전극칩 준비 단계
S3: 고분자층 배치 단계
S5: 신경세포 배치 단계
S7: 레이저 조사 단계
1: micro electrode chip
11: substrate
111: electrode
113: electrode pad
13: metal thin film
15: polymer layer
17: insulation layer
3: nerve cells
S1: microelectrode chip preparation step
S3: polymer layer placement step
S5: neuronal cell placement
S7: laser irradiation step

Claims (8)

기판;
상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드;
상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극;
상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및
상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함하는 미세전극칩.
Board;
An electrode pad disposed on a portion of the substrate;
An electrode disposed on a portion of the substrate and connected to the electrode pad;
An insulating layer disposed on a portion of the substrate where the electrode is not disposed; And
And a metal thin film disposed on the insulating layer.
제 1 항에 있어서,
상기 금속박막은,
금(AU)을 포함하는 미세전극칩.
The method of claim 1,
The metal thin film,
Microelectrode chip containing gold (AU).
제 1 항에 있어서,
상기 금속박막은,
4 내지 6nm의 두께인 미세전극칩.
The method of claim 1,
The metal thin film,
Microelectrode chip having a thickness of 4 to 6nm.
제 1 항에 있어서,
상기 금속박막 상에 배치된 세포 친화성 고분자층을 더 포함하는 미세전극칩.
The method of claim 1,
The microelectrode chip further comprises a cell-compatible polymer layer disposed on the metal thin film.
미세전극칩을 준비하는 단계;
상기 미세전극칩 상에 신경세포를 배치하는 단계; 및
상기 미세전극칩에 레이저를 조사하는 단계;를 포함하되,
상기 미세전극칩은,
기판; 상기 기판 상의 일부에 배치된 전극패드; 상기 기판 상의 일부에 배치되고 상기 전극패드에 연결된 전극; 상기 기판 상의 상기 전극이 배치되지 않은 부분에 배치된 절연층; 및 상기 절연층 상에 배치된 금속박막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 신경세포 활성 제어 방법.
Preparing a microelectrode chip;
Disposing a nerve cell on the microelectrode chip; And
Irradiating a laser on the microelectrode chip; including;
The micro electrode chip,
Board; An electrode pad disposed on a portion of the substrate; An electrode disposed on a portion of the substrate and connected to the electrode pad; An insulating layer disposed on a portion of the substrate where the electrode is not disposed; And a metal thin film disposed on the insulating layer.
제5 항에 있어서,
상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계 이후에, 상기 미세전극칩 상에 세포 친화성 고분자층을 배치하는 단계를 더 포함하는 신경세포 활성 제어 방법.
The method of claim 5,
After preparing the microelectrode chip including the metal thin film, neuron activity control method further comprising the step of disposing a cell-compatible polymer layer on the microelectrode chip.
제 5 항에 있어서,
상기 금속박막을 포함하는 미세전극칩을 준비하는 단계는, 진공증착 방식으로 상기 금속박막을 기판에 도포하는 단계를 포함하는 신경세포 활성 제어 방법.
The method of claim 5,
The preparing of the microelectrode chip including the metal thin film may include applying the metal thin film to a substrate by a vacuum deposition method.
제 5 항에 있어서,
상기 미세전극칩에 조사하는 레이저는 500 내지 900 nm의 파장인 신경세포 활성 제어 방법.
The method of claim 5,
The laser irradiation on the microelectrode chip has a wavelength of 500 to 900 nm nerve cell activity control method.
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